Bài giảng Đúc trong khuôn cát - Nước thủy tinh

ĐÚC TRONG KHUÔN CÁT – NƯỚC THỦY TINH

Từ khóa: Glass Water

ủ ộ c th y tinh (NTT)

1. MỞ ĐẦU 1.1. Nguyên lý ướ ợ ỗ • Tr n h n h p cát – n ợ ộ ỉ ệ  thích h p theo m t t  l

ặ ộ ề ầ ộ • Đi n đ y HH vào khuôn ho c h p ru t

• Làm đông c ng HH b ng m t ph

ứ ằ ộ ươ ng pháp

nào đó

Ư ể 1.2.  u đi m

• Đ  chính xác c a v t đúc cao h n so v i đúc

ơ ớ ộ

ủ ậ trong khuôn cát – sét

ượ ươ ả • Gi m đ ng, găm đinh

ộ ề c các thao tác làm x ơ ộ do đ  b n khuôn, ru t cao h n

(cid:0) ễ ề ầ ả • Tính ch y HH cao d  đi n đ y hòm khuôn

• Năng su t lao đ ng cao

•

ấ ộ

ườ ễ Ít ô nhi m môi tr ng

1.3. Nhược điểm

• Độ bền tươi của HH thấp

• Thời gian bảo quản khuôn, ruột bị hạn chế

• Tuổi xuân HH ngắn

• Chất lượng cát nguyên liệu phải cao

• Khó phá khuôn, ruột nếu không có biện

• Tính bám dính của HH vào mẫu cao

pháp thích hợp

1.4. Phạm vi sử dụng

• Dùng đúc các VĐ bằng gang, thép có kích thước nhỏ, trung bình, lớn với độ chính xác và độ bóng bề mặt khá

• Phù hợp với tất cả các loại hình SX

2. NƯỚC THỦY TINH (NTT) 2.1. Mở đầu

• Là chất dính vô cơ không thuận nghịch

• Dung dịch nước của silicat kiềm có công

thức R2O.mSiO2.nH2O, trong đó:

- m: module của NTT

• Công dụng:

- R: Na, K, Li

- Silicat natri: làm khuôn, ruột, vữa xây lò …

- Silicat kali: thuốc bọc vỏ que hàn

- Silicat liti: công nghệ thủy tinh

2.2. Cấu trúc silicat natri

• Bao gồm các oxit silixit mang điện tích âm

• Khi hàm lượng oxit natri lớn: silicat natri

và các ion natri mang điện tích dương

• Khi hàm lượng oxit natri bé: silicat natri có cấu trúc không gian: tính chất được đặc trưng bởi liên kết cộng hóa trị

có cấu trúc lớp: tính chất được đặc trưng bởi liên kết ion

2.3. Cấu trúc của NTT

• Silicat natri hòa tan trong nước tạo thành NTT

• NTT là dung dịch của các ion Na+, OH-, H+ và các

anion. Số lượng và dạng tồn tại phụ thuộc vào nồng độ silicat natri và m theo quy luật:

2.4. Cơ chế đông rắn của NTT 2.4.1. Hình thành silicat natri • Khi sấy, NTT mất nước (cid:0) hình thành cấu

• Silicat natri có độ bền cao

trúc có dạng khung xương tứ diện silixit có đỉnh tự do và ion Na+ liên kết ion với khung xương

2.4.2. Hình thành gel silixit (silicagel) • Gắn liền với sự thay đổi pH của NTT bởi

• Quá trình tạo Silicagel:

các chất xúc tác đông rắn

- Chất đông rắn kết hợp với ion natri: axit silixit đơn được tạo thành trong NTT

- Các axit silixit đơn trùng hợp tạo ra đa axit silixit, kết quả là tạo thành Silicagel ngậm nước

2.4.2. Hình thành gel silixit

• Xúc tác đông rắn là axit:

6NaF +

6NaF +

Na2SiO3 + 2HCl = 2NaCl + H2SiO3 H2SiF6 + 3Na2SiO3 + 7H2O (cid:0) 4Si(OH)4 H2SiF6 + 3Na2Si2O5 + 13H2O (cid:0) 7Si(OH)4

• Xúc tác đông rắn là natrisiliflorat: Na2SiF6 + 4H2O (cid:0) Si(OH)4 Na2O.mSiO2.nH2O + 2HF (cid:0)

2NaF + 4HF +

2NaF +

mSiO2.(n+1)H2O

2.4.2. Hình thành gel silixit

• Xúc tác đông rắn là các hydroxit KL

kiềm thổ:

• Xúc tác đông rắn là ferosilic:

Na2O.mSiO2 + Ca(OH)2 + 6H2O = NaOH + (m-1)SiO2 + CaSiO3.6H2O

• Xúc tác đông rắn là khí CO2:

Na2O.mSiO2 + 2mH2O +FeSi = Na2O.nSiO2 + mSi(OH)4 + nFe + 2nH2

Na2O.mSiO2 + CO2 = NaCO2/NaHCO2 + Si(OH)2

nSi(OH)2 = SinO2n-m + 2(n-m)H2O

2.4.3. Hình thành pha mới • Khi tác dụng các chất chứa Ca (xi măng,

• Các phản ứng đông rắn (khi m= 2 và 3):

thạch cao, disilicat canxi …), NTT sẽ đông rắn

2CaSiO4+Na2O.2SiO2+5H2O = 4CaH2SiO4+2NaOH

Ca2SiO4+Na2O.2SiO2+3H2O= 2CaH2SiO4+Na2H2SiO4

3Ca2SiO4+Na2O.3SiO2+7H2O= 6CaH2SiO4+ 2NaOH

2Ca2SiO4+Na2O.3SiO2+5H2O=4CaH2SiO4+

Na2H2SiO4

2.5. Các tính chất của NTT 2.5.1. Module của NTT

• M= số mol SiO2 / số mol Na2O

• Module M ảnh hưởng mạnh đến các tính

= (%khối lượng SiO2 / %khối lượng Na2O)x1,032

chất của NTT

Điều chỉnh module của NTT

• Để tăng M, cho clorua amôn vào NTT: Na2O.mSiO2+2NH4Cl (cid:0) mSiO2+2NaCl+2NH3+H2O

• Để giảm M, cho xút khô vào NTT: Na2O.mSiO2 + nNaOH (cid:0) n/2)Na2O.mSiO2 + (n/2)H2O

(1 +

2.5.2. Độ nhớt của NTT

• Là tính chất quan trọng của NTT: khi độ nhớt cao, NTT khó phân bố đều trên bề mặt các hạt cát

• Khi tăng M và tỉ trọng: độ nhớt của NTT

• Khi tăng nhiệt độ: độ nhớt của NTT giảm

tăng và ngược lại

3. CHẾ TẠO KHUÔN, RUỘT BẰNG HỖN HỢP CÁT – NTT 3.1. Hóa bền bằng cách thổi khí CO2 • Đây là pp phổ biến và đơn giản 3.1.1. Mở đầu • Khi tác dụng với CO2, NTT chuyển thành gel axit silixic một cách nhanh chóng, liên kết các hạt cát lại với nhau

3.1.1. Mở đầu

• Khi thổi CO2 vào thì không phải toàn bộ NTT kịp biến thành gel axit silixit. Khi để ngoài không khí, cả gel và silicat chưa phân hủy đều mất nước và xảy ra 2 quá trình ngược nhau:

- Gel mất nước: làm giảm bền HH

•

- Silicat mất nước: làm tăng bền HH

(cid:0)

Khuôn chế tạo xong không rót ngay: ngừng thổi CO2 trước khi khuôn đạt độ bền tối đa để sau đó độ bền sẽ tăng dần khi để khuôn ngoài không khí

3.1.2. Một số vấn đề công nghệ a. Chế tạo mẫu

• Mẫu gỗ phải được mài bóng và sơn với những chất không phản ứng với NTT

• Mẫu KL cần gia

• Hệ đường ống để dẫn khí CO2 vào HH có thể bố trí

công thật bóng và không cần sơn

ngay trên mẫu

b. Hóa bền khuôn, ruột trước khi lấy mẫu, HR ra • Lưu ý giữ cho khuôn không bị biến dạng ở

• Khi khuôn đã đông rắn rất khó rút mẫu (cid:0) mẫu phải được thiết kế, gia công tốt và nên lay kỷ mẫu trước khi thổi khí CO2

trạng thái tươi

Làm khuôn trên máy

Thổi CO2 cho khuôn dưới Thổi CO2 cho khuôn trên

Làm khuôn bằng tay – khuôn nhỏ

1.Khuôn dưới; 2.Mẫu; 3.Khuôn trên; 4.Phần rỗng của mẫu; 5.Mẫu; 6.Vòng kẹp; 7.Ống dẫn CO2; 8.Xiên hơi; 9.Ống thổi

Làm khuôn bằng tay – khuôn lớn

• Làm khuôn

• Cho các đầu

xong, dùng que xiên hơi tạo đường hơi từ phía MPK

1.Khuôn; 2.Mẫu; 3.Cát áo; 4.Đường hơi; 5.Đầu ống côn;

6.Ống cao su mềm; 7.Ống góp;

8.Van

ống vào đường hơi, thổi CO2 vào

a) Khuôn; b)Ống

góp

Làm ruột – dùng nhiều ống để thổi • Dùng cho ruột lớn hoặc ruột có hình dạng

1- Hộp ruột 2- Hỗn hợp 3- Đường hơi 4- Mẫu KL 5- Ống mềm 6- Ống góp

phức tạp

Làm ruột – dùng chụp để thổi

• Thường dùng đối với ruột vừa và nhỏ, hình dạng đơn giản

• Đầu chụp có đệm

• Trên hộp ruột bố trí

cao su để bảo đảm độ kín giữa chụp và hộp ruột

1-Hộp ruột; 2-Hỗn hợp; 3- Chụp; 4-Vòng đệm; 5-Lỗ

thoát

các lỗ thoát khí

c. Hóa bền khuôn, ruột sau khi lấy mẫu, HR ra

• Đặc điểm:

- Độ chính xác kém hơn phương pháp trên; nhưng tốc độ hóa bền cao hơn

- HH phải có độ bền tươi cao hơn để giữ cho khuôn, ruột khỏi bị biến dạng (thường cho thêm sét vào HH)

- Độ nhẵn của khuôn và ruột không cao

Hóa bền bằng cách thổi lên bề mặt khuôn

• Sử dụng cho khuôn

• Phần làm việc của ống thổi được khoan các lỗ 1-1,5mm

• Ống thổi di chuyển

vừa và nhỏ

• Ống thổi nối với bình CO2 bằng ống dẫn mềm

• Chiều dày lớp hóa bền

qua lại với vận tốc 3- 5m/phút

(cid:0) 100mm

3.1.3. Thành phần HHLK cho khuôn đúc thép

VẬT ĐÚC

THÀNH PHẦN HỖN HỢP, %

NaOH

Hỗn hợp cũ

Cát mới

Sét mới

Dầu mazut

Tổng lượng sét

NTT cacbona t M=2,6- 2,8

Nhỏ

50

-

4-8

5-7

-

0,5-1,5

25

-

< 5

7,0

1,0

0,5

Trung bình

Lớn

-

2-3

6,5-7,5

1,0

0,2-0,3

< 5

C016A 50 C016A 75 C02A 100

-

-

-

7,5

-

-

>5000kg, thành dày

100

30

70

1

-

5,2

1,1

0,6

Thông dụng

3.1.4. Lưu ý khi dùng khí CO2

• Sản xuất nhỏ: thường dùng bình 40 lít, áp suất 60at, khối lượng 60kg; có giảm áp nối với ống cao su mềm

• Khi dùng liên tục,

1- Bình chứa CO2 2, 5- Van 3- Ống dẫn 4- Bộ giảm áp + đồng hồ đo áp

• Bình đặt đứng, xa các

tuyết sẽ bám bộ giảm áp, dễ làm tắt khí (cid:0) nên dùng nhiều bình nối qua bộ góp chung

nguồn nhiệt, thiết bị

hàn

3.2. Hóa bền bằng cách sấy hoặc hong 3.2.1. Hong khô tự nhiên • Thực chất là quá trình làm mất nước

• Khuôn nhỏ: sau 2 – 5 h, có thể lắp khuôn

• Khuôn lớn: sau 12 – 24 h, có thể lắp

và rót

• Nên hong khuôn ở nơi có gió hoặc dùng

khuôn và rót

quạt gió thổi cưỡng bức

3.2.2. Hóa bền bằng phương pháp sấy Dùng chụp để sấy

• Nếu nhiệt độ gió nóng 200-3000C: thời gian sấy: 5 – 20 phút; chiều dày lớp hóa bền 15- 30mm

Thổi gió nóng qua HTR

3.3. Hóa bền bằng phụ gia 3.3.1. Các chất hóa bền • Các chất phụ gia rắn ở dạng bột: fero-silic, silico canxi, fero-canxi, disilicat canxi, xỉ luyện gang, xi măng, nephelin, muối Na2SiF6...

• Các chất phụ gia dạng lỏng: các este hữu

cơ: momoaxetin (CH3COOCH2(HOCH2)2), diaxetin ((CH3COOCH2) HOCH)...

3.3.2. Công nghệ

• Trộn trước cát và NTT trong máy trộn

• Trước khi làm khuôn, ruột, cho chất phụ gia đông rắn vào trộn tiếp, rồi đem sử dụng ngay

• Thời gian HH đông rắn từ 10 phút đến 6

cánh

giờ, phụ thuộc:

- Loại chất xúc tác và lượng sử dụng

- Độ mịn của chất xúc tác

- Nhiệt độ, độ ẩm của môi trường

- Chiều dày thành khuôn, ruột

3.3.3. Ưu điểm- Nhược điểm

• Giá rẻ

• Độ chính xác khuôn cao hơn so với CN

• Chủ động điều chỉnh được thời gian đông

CO2

• HH có tính chảy cao hơn, đặc biệt khi

rắn và độ bền của khuôn

• Độ sinh khí ít

• Tuổi xuân của HH thấp

dùng chất phụ gia dạng lỏng

3.3.4. Một số thành phần hỗn hợp (%) • 92,5(cid:0) 94,5 cát thạch anh + 4(cid:0) 6 nước thủy tinh (M = 2,1; (cid:0) = 1,32(cid:0) 1,40 kg/dm3) + 1,5 FeSi 75

• 4(cid:0) 7 nước thủy tinh (M = 2,0; (cid:0) =

•

• 2,0(cid:0) 4,5 nước thủy tinh (M = 2,5(cid:0) 2,8; (cid:0) = 1,48(cid:0) 1,50kg/dm3) + 0,2(cid:0) 0,5 este + cát

1,30kg/dm3) + 1(cid:0) 4 FeSi 75 + cát thạch anh (còn lại) Cát thạch anh + 6(cid:0) 10% nước thủy tinh (M = 2,1(cid:0) 2,2; (cid:0) = 1,42(cid:0) 1,50kg/dm3) + 2(cid:0) 8% các chất chứa oxit canxi

thạch anh (còn lại)

• Được phát minh năm 1960 tại Thụy Sĩ

4. HH CÁT-NTT DẺO TỰ ĐÔNG RẮN 4.1. Mở đầu • HH gồm cát, NTT, chất phụ gia đông rắn

• Nephelin là chất thải của quá trình sản

và được cho thêm bùn nephelin để tạo độ dẻo cho hỗn hợp (còn đóng vai trò chất phụ gia đông rắn)

• Thời gian đông rắn: 5 phút – 6 giờ

xuất boxit từ quặng nephelin. Thành phần hóa học: 54(cid:0) 56% CaO; 29(cid:0) 30% SiO2; 3(cid:0) 3,5 Al2O3; 2,9(cid:0) 3% Fe2O3; 2,3(cid:0) 3% (Na2O + K2O)...

4.2. Đặc điểm của hỗn hợp

• Độ bền tươi khá cao

•

•

In hình tốt

• Dễ phá dỡ khuôn

•

Ít sinh khí, độ thông khí cao

• Rẻ tiền

Ít ô nhiễm môi trường, không độc hại

•

4.3. Một số thành phần hỗn hợp (%) (97,4 cát + 2,6 bùn nephelin) + 7,3 nước thủy tinh (M = 3,0(cid:0) 3,2; (cid:0) = 1,48kg/dm3) + 0,7 xút ((cid:0) = 1,15(cid:0) 1,25kg/dm3). Làm khuôn, ruột cho đúc thép

•

• 90,3 cát + 7 nước thủy tinh + 2 bùn nephelin + 0,7 xút ((cid:0) = 1,25kg/dm3)

(97,5 cát silicat Zr + 2,5 bùn nephelin) + 6,0(cid:0) 7,0 nước thủy tinh (M = 3,0(cid:0) 3,2; (cid:0) = 1,45kg/dm3) + 0,7(cid:0) 0,8 xút ((cid:0) = 1,15(cid:0) 1,25kg/dm3). Làm khuôn và ruột cho vật đúc lớn bằng thép cacbon và thép hợp kim

5. HH CÁT-NTT CHẢY LỎNG TỰ ĐÔNG RẮN 5.1. Mở đầu • Công bố năm 1961 tại Liên Xô

• Đây là HH cát – NTT – chất phụ gia đông

rắn + chất hoạt tính bề mặt

5.2. Đặc điểm

• Không cần đầm khuôn mà chỉ cần rung

• Dễ phá khuôn hơn các PP làm khuôn

lèn chặt với chế độ rung thích hợp

• Độ thông khí tốt; độ sinh khí thấp

• Dễ tái sinh HH

• Không độc hại, thân thiện với môi trường

• Rẻ

bằng HH cát – NTT khác

5.2. Đặc điểm

• Độ bền khuôn sau đông rắn không cao lắm (chỉ cao hơn HH cát – sét chút ít)

• HH có độ rã cao: khó dùng sơn nước

• Tuổi xuân HH ngắn

• HH dễ dính vào mẫu, HR. Nên sơn mẫu,

HR bằng parafin, silicon …

• Để HH rời rạc chuyển sang trạng thái

5.3.Chất hoạt tính bề mặt (chất tạo bọt) 5.3.1. Mở đầu chuyển động lỏng cần phải cho vào HH chất hoạt tính bề mặt (HTBM)

• Chất HTBM là chất có khả năng hấp phụ lên bề mặt phân chia pha và làm giảm năng lượng tự do bề mặt của chúng

• Phân tử chất HTBM gồm 2 phần: một đầu là gốc ưa nước để chất HTBM dễ hòa tan trong nước; một đầu là gốc kị nước để tạo bọt khí làm HH chuyển sang trạng thái chuyển động lỏng

5.3.2. Một số chất tạo bọt

• Alkilsulphonat: tên thương mại: sulphonat, chứa 12(cid:0) 18 nguyên tử cacbon, công thức hóa học CnH2n+1 – SO3Na;

3

R C H OSO Na • Alkilsulphat: tên thương mại: Progres,

| CH

3

(cid:0)

• Alkilarilsulphonat: là muối

công thức cấu tạo:

alkillarilsulphatnatri, công thức cấu tạo :

R: gốc kị nước chứa 8 – 12 nguyên tử

cacbon

5.3.3. Nguyên lý làm khuôn • Cho chất tạo bọt vào HH cát – NTT – chất phụ gia đông rắn: HH sẽ có tính “chảy lỏng”

• Trình tự trộn: trộn cát, chất tạo bọt; cho

• Trộn xong, đem “rót” ngay HH vào khuôn

NTT vào trộn tiếp; cho chất xúc tác đông rắn vào trộn tiếp

• Sau 15 – 60 phút: tháo mẫu (hộp ruột)

• Sau 4 – 12 h: HH đạt độ bền cao nhất: lắp

hoặc hộp ruột (đặt trên sàn rung); rung với chế độ rung thích hợp

khuôn và rót

5.4. Một số thành phần hỗn hợp (%) • Chất phụ gia đông rắn thường dùng: xi măng

•

portland, disilicat calci, xỉ luyện gang …

•

(93 cát thạch anh + 7 xỉ ferro crôm) + 8 NTT (M = 2,7(cid:0) 2,8; (cid:0) = 1,30(cid:0) 1,32kg/dm3) + 0,05 chất tạo bọt

•

(96 cát thạch anh + 4 xỉ ferro crôm) + 7 NTT (M = 2,7(cid:0) 2,8; (cid:0) = 1,30(cid:0) 1,32kg/dm3) + 0,3 xút ((cid:0) = 1,3kg/dm3) + 0,12 chất tạo bọt . Dùng làm khuôn đúc thép

(94,6 cát thạch anh + 4 xỉ ferro crôm + 1,4 bột than) + 7 NTT (M = 2,7(cid:0) 2,8; (cid:0) = 1,30(cid:0) 1,32kg/dm3) + 0,3 xút

((cid:0) = 1,3kg/dm3) + 0,15 chất tạo bọt. Làm

•

khuôn đúc gang

(95 cát thạch anh + 5 xỉ ferro crôm ) + 8 NTT

(M = 2,7(cid:0) 3,0; (cid:0) = 1,32kg/dm3) + 0,10(cid:0) 0,15

chất tạo bọt. Làm khuôn đúc gang, thép